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機械密封使用壽命影響因素
2024-05-07
1 機械密封簡介
1.1機械密封定義
機械密封是一種流體旋轉機械的軸封裝置，又叫端面密封，在國家有關標準中是這樣定義的“有至少一對垂直于旋轉軸線的端面在流體壓力和補償機構彈力（或磁力）的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。
1.2機械密封的組成及密封原理
機械密封由于具有泄漏量少和壽命長等優點，近年來發展很快，根據不同的工況出現了各種各樣的結構，但無論哪種結構都有以下部分組成：第一部分是由動環和靜環組成的密封端面，有時也稱為摩擦副；第二部分是由彈性元件為主要零件組成的緩沖補償機構，其作用是是密封端面緊密貼合；第三部分是輔助密封圈，其中有動環和靜環密封圈；第四部分是使動環隨軸旋轉的傳動機構。機械密封的構成如圖一所示，通過傳動座6和推環4，帶動動環2旋轉，靜環1固定不動，依靠介質壓力和彈簧力使動靜環之間的密封端面緊密貼合，阻止了介質的泄漏。摩擦副表面磨損后，在彈簧5的推動下實現補償。為了防止介質通過動環和軸之間泄漏，裝有動環密封圈3；而靜環密封圈7則阻止了介質沿靜環和壓蓋8之間的泄漏。
圖一 機械密封
2 機械密封常見故障
通常，機械密封的使用壽命至少為8000-10000小時。在此期間密封環中較軟的一只（大都用碳-石墨制造）的承磨臺首先被磨掉，磨損量在2-3mm之間，這時表面雖然基本光潔，但因彈簧不能補償或比壓過低而喪失了密封能力，其他零件基本上無磨損。這種密封失效屬自然磨損，稱之為老化性故障。顯然，這種磨損是不可避免的。在實際工作中，有些密封環的磨損量遠沒有達到2-3mm，但其密封面表面就有了傷痕（不光潔），或其他零件失效，使其壽命尚未達到上述預計值，通常把這種突發性的故障稱為事故性故障。據統計，屬于老化性故障的失效約占10%-30%，而大量的則屬于后一種故障。機械密封主要的失效形式就是泄漏，但造成泄漏的原因是多種多樣的，天脊集團高平化工有限公司尿素車間自2006年6月投入生產以來，機械密封出現故障率較高的主要在以下幾個方面：密封面磨損、動靜環破裂、動環不能補償、O型圈密封失效、彈簧斷裂等，
3 引起機械密封失效的主要因素
機械密封的密封性是其主要的指標。影響因素很多，其中有密封結構、材料、制造、安裝，介質性質及使用等。哪個環節出現了問題，密封性都要受到影響。可把這些因素分為密封件本身和使用條件兩大類。密封結構、材料和制造屬于制造廠。而安裝、介質性質和使用等屬于使用條件的范圍，如何正確使用取決于用戶自己。
3.1振動
由于制造和安裝精度等原因，所有的離心泵都存在著振動，所有的密封端面和軸心都存在一定的垂直度誤差。垂直度誤差使動環旋轉時產生一軸向擺動。振擺的幅度取決于誤差的大小，而其頻率則取決于彈簧剛度及動環組件的質量，與泵的轉速無關。
泵的振動原因很多，振動原因主要為轉子不平衡，也有其它原因。例如：泵和電機振正不佳，軸承故障、地腳螺栓松動等。振動原因不同振動頻率也不同，絕大多數泵振動頻率等同于工作轉速，而振動幅度差別很大，從軸承箱表面測到的振幅不能大于0.06mm，超過該值就要停泵處理，振動可分解為三個方向，即垂直、水平和軸向，其中以軸向振動對密封的危害。大多數工藝流程泵的轉速在2950r/min左右，由于密封的追隨性較差，泵的振動加劇了動靜環的分離，瞬間的分離在液膜壓力作用下使密封面開啟，出現大量泄露，如果摩擦副附近存在固體顆粒，進入密封端面間會導致密封端面損壞，從而使機械密封失效。
3.2抽空和汽蝕
故障發生時正常工作的離心泵出口壓力大幅度下降并激烈的波動通稱抽空，這時泵內出現氣化現象，離心泵啟動前沒灌泵、進空氣、液體不滿或介質大量汽化，這種情況下啟動或者運轉離心泵必然抽空，表現在性能上是出口壓力趨近于零或接近泵的入口壓力，此時機械密封處于干或半干摩擦狀態，常出現的失效形式有：
a.石墨環表面出現深而粗的環狀溝紋。
b.硬環用1Cr13表面堆焊硬質合金或噴涂陶瓷時出現徑向裂紋。
c.硬環用碳化鎢硬質合金時，出現環狀溝紋，有時出現徑向裂紋或斷裂。
d.動、靜環密封圈變質，如橡膠圈老化、龜裂。
e.熱裝式密封環硬質合金環松脫。
正在運轉的泵由于葉輪的低壓區氣體氣化或氣體溢出，流至高壓區時而產生凝聚，這種迅速進行的氣化凝聚現象稱為氣蝕，其特點是運轉中產生激烈地水力沖擊，表現在性能上是出口壓力有較大幅度的激烈波動，泵振動加大，能產生抱 軸和斷軸之類的惡性事故，對密封也有損壞，其程度視汽蝕能量和持續時間而不同，密封腔中摩擦副處介質溫度較高，其中部分組分汽化，流至低溫區又凝聚。這也具備了產生蝕的條件，出現激烈地水力沖擊，帶動密封做迅速的軸向運動，可使動、靜環及輔助密封圈等零件嚴重的損壞，密封性遭到破壞，若泵出現汽蝕現象，機封損壞一般以下形式：
a.靜環離位或防轉銷打彎。
b.動環被“抽”到傳動座中被卡住，彈簧失去作用。
c.摩擦副有一件用脆性材料制造進（如碳化硅），在密封端面上因“敲擊”而出現片狀剝落。
3.3載荷系數與彈簧比的確定;
密封流體壓力作用在補償環上（例如機封動環），使其對于非補償環（例如機封靜環），趨于閉合的有效作用面積與密封環帶面積之比稱為載荷系數。載荷系數對機械密封的密封性及使用壽命可靠性等有很大影響，從密封性密封角度考慮希望載荷系數大一些，可得到較高的比壓，密封的穩定性和可靠都比較好。但是載荷系數大產生的摩擦熱較大，如不能及時散去使密封面溫度過高，當達到介質氣化溫度時將發生氣化，液膜破壞，磨損加大，使用壽命短。
彈簧比壓就是單位密封端面的彈簧力，單位是MPa，計算方法是總的彈簧力除以密封端在的面積，彈簧比壓是促使密封端面貼合的重要因素，當泵在停車與啟動時壓力較低，或密封腔中正常工作壓力低，或工作中壓力出現較大波動時,彈簧比壓就成為端面比壓的主要組成部分。彈簧比壓的大小要根據密封結構、工作條件、介質性質和載荷系數等綜合考慮，彈簧比壓大了有利于密封端面貼合，改善追隨性，增強密封穩定性，若過大則摩擦熱量大，功率消耗增加，使用壽命縮短，彈簧比壓過小，泄露量大，密封穩定性差。
因此，在機械密封的使用選型過程中，載荷系數與彈簧比壓的確定是保證機械密封長期穩定運行的一個十分重要的因素。
3.4輔助密封圈：
機械密封的輔助密封圈包括動環密封圈和靜環密封圈。根據其作用要求輔助密封圈材料具有良好的彈性，低的摩擦系數，能耐介質的腐蝕溶解和溶脹，耐老化，在壓縮之后及長期工作中不較小的永久變形，在高溫下使用具有不粘著性，低溫下不硬脆而失去彈性，具有一定的強度和抗壓性，另外，要求來源方便，成本低廉些。
根據泵內流體的物理特性，應選擇合適的密封材料，密封材料選擇的合適與否將直接影響機械密封的使用壽命。
3.5其它
造成機械密封失效的原因有很多，有機械密封本身的原因，也有安裝和使用方面的原因，表二對造成機械密封失效的原因進行了匯總。
4 實例
4.1廢液泵（位號：P06413，介質：解析廢液，溫度：70℃左右，平時2開2備），該泵在運行過程中由于介質溫度較高，介質組分為多組分混合液體，部分組分在該溫度下經常性發生汽化，導致該泵在運行過程中經常發生汽蝕，泵振動增大，噪音高。據統計該泵平均每4個月機械密封更換一次，機械密封在拆出檢查時發現存在密封面片狀脫落，靜環破損現象。
4.2回流泵（位號：P06412，介質：30-40%甲胺液，溫度：50-60℃，平時2開2備），在2011年4月11日至6月17日僅67天之間，就頻繁更換機械密封達7次，對生產造成了一定影響，每次機械密封發生泄漏后拆開檢查時，發現機械密封動、靜環及補償彈簧等均完好，而動環、靜環密封圈嚴重老化，失去彈性。后通過檢查記錄報表分析確定該泵每次機械密封失效前，泵入口液位均出現過偏低現象，泵在短時間內存在抽空現象。
4.3高壓洗滌器循環水泵（位號：P06402，介質：普通調溫水，溫度：130℃左右）和低壓冷凝器循環水泵（位號P06403，介質：普通調溫水，溫度：130℃左右），機械密封泄漏一般發生在倒泵過程中，機械密封拆開后，動靜環密封面完好，但是彈簧發生了卡澀，軸套部分麻坑較多，后將該泵軸套由碳鋼改為304材質不銹鋼且表面做硬質處理后，該泵在倒泵過程中出現機械密封泄漏的故障明顯減少。
5 優化操作
在實際生產過程中，以離心泵為例，分析優化操作對機械密封長周期使用的影響和作用。
5.1 試車前準備工作
① 檢查泵的各連接螺栓及地腳螺栓是否有松動現象。
② 檢查軸承箱潤滑油位是否正常，是否有漏油現象。
③ 盤車，檢查泵是否有卡澀現象。
④ 檢查泵的進出口壓力表是否完好。
⑤ 檢查泵的安全護罩等是否完好。
⑥ 將泵內充滿液體，排除泵內氣體，檢查機械密封是否泄漏。
5.2 試車
① 電機電動實驗，檢查電機轉動方向是否正確。
② 打開進口閥，啟動電機，打開出口閥，避免軸承溫度過高，損壞機械密封。
③負荷試車應符合以下要求：機械密封無泄漏；運行平穩，無雜音；潤滑、冷卻系統均正常；流量、壓力平穩無波動；電流不超過額定值。
5.3正常運行
① 泵啟動后若有輕微泄漏現象，則先觀察一段時間，如果連續運轉4 小時，泄漏量仍不減小，停泵檢查。
② 泵的操作壓力應平穩，壓力波動不大于0.1MPa。
③ 運轉中避免發生抽空現象，以避免造成機械密封損壞。
④ 確保冷卻水及密封水暢通。
⑤ 發現設備有不正常情況應立即停泵檢查原因。
6 總結
綜上所訴，機械密封的長周期運行要從零件的加工精度、選材以及安裝、維修、使用等方面入手進行改進，同時應不斷提高操作人員的現場操作水平，以確保機械密封使用的穩定性和長期性。
（來源：中國通用機械工業協會泵業分會）
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